По мере развития современных систем промышленной автоматизации и робототехники перед конструкторами всё более остро встаёт проблема выбора подходящего силового сервопривода. Системные требования к величине крутящего момента, быстродействию, точности позиционирования, компактности, надёжности и энерго-эффективности сервоприводов неуклонно растут, но традиционные электроприводы уже не в состоянии обеспечить в полной мере необходимые технические характеристики. К таким быстро устаревающим традиционным компонентам сервоприводов можно отнести системы типа «электромотор с редуктором» и шаговые двигатели.
С основными недостатками и ограничениями систем «электромотор с редуктором» в составе сервоприводов, особенно в варианте с асинхронными электродвигателями, многие уже хорошо знакомы. Напомним лишь о самой неприятной проблеме механического редуктора в составе сервопривода — это кинематический мёртвый ход из-за неизбежных зазоров между шестернями.
Поэтому, мы далее сосредоточимся на проблеме выбора подходящего типа электродвигателя для безредукторного силового сервопривода.
Шаговый двигатель
Несмотря на необычность конструкции и способа управления, шаговые электродвигатели обычно относят к классу синхронных электрических машин. При этом, высокую популярность и распространённость шаговых двигателей в некоторых отраслях (например, 3D-печать) можно объяснить такими неоспоримыми преимуществами, как низкая цена, простота конструкции и управления, а также приемлемая угловая точность для большинства применений.
Однако, диапазон применимости «шаговиков» ограничивается целым рядом существенных недостатков:
- мизерный крутящий момент: как правило, всего несколько Н·м. Самые мощные шаговые двигатели едва дотягивают до 20 Н·м.
- при увеличении скорости вращения крутящий момент ощутимо падает;
- катастрофически низкий КПД;
- отсутствие обратной связи приводит к неконтролируемым перескокам или пропускам шагов при перегрузке;
- механическое ограничение угловой точности шага;
- повышенный вибро-аккустический фон и резонансы.
Таким образом, «шаговики» хорошо подходят исключительно для маломощных систем автоматизации и мехатроники, в которых неважно энергосбережение, но ради низкой цены можно смириться с малым крутящим моментом и ограниченной скоростью вращения. В качестве прецизионного, быстродействующего или мощного силового сервопривода шаговый двигатель непригоден.
Современный синхронный силовой сервопривод
Силовые сервоприводы серий iEM-Iw Mk2, iEM-05w Mk2 и iEM-025w Mk2 модельного ряда 2020 с жидкостным охлаждением
Современный силовой сервопривод должен соответствовать требованиям 6-го Технологического Уклада и характеризуется, прежде всего, высокими удельным крутящим моментом, точностью и быстродействием. Он должен развивать крутящий момент от нескольких десятков до нескольких тысяч Н·м, обладая при этом минимальными масса-габаритами.
Удельный крутящий момент синхронных электродвигателей серий iEM, находится в диапазоне от 10,9 до 35 Н·м/кг, что позволяет создавать на их базе компактные силовые безредукторные сервоприводы, развивающие крутящий момент от сотни до нескольких тысяч Н·м с заданными точностью и быстродействием!
Для достижения максимальных удельных силовых характеристик сервопривода используется воздушное, жидкостное или комбинированное принудительное охлаждение, обеспечивающее отвод избыточного тепла от корпуса электродвигателя.
Кроме специализированного синхронного электродвигателя iEM, в состав силового сервопривода обязательно входят: частотный преобразователь с системой управления и энкодер, обеспечивающий требуемую угловую точность.
Силовой сервопривод серии iEM-Iw Mk2 с жидкостным охлаждением и фланцевым креплением (вид сзади), обеспечивающий крутящий момент до 1’000 Н·м
Силовой сервопривод серии iEM-Iw Mk2 с жидкостным охлаждением и фланцевым креплением (вид спереди), обеспечивающий крутящий момент до 1’000 Н·м
Модульная конструкция электродвигателей iEM с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением позволяет не только легко масштабировать крутящий момент и мощность сервопривода, но и обеспечивать дополнительную надёжность за счёт модульного дублирования.
Силовой сервопривод в виде сборки из трёх модулей iEM-05 с энкодером
Силовой сервопривод на базе сдвоенного iEM-05 с энкодером
Временный недостаток силовых сервоприводов на основе модулей iEM – это более высокая цена относительно традиционных решений. Однако, благодаря высокому КПД, относительно малым затратам на монтаж и обслуживание, стоимость владения оказывается существенно ниже и за считанные месяцы окупит более высокую стоимость приобретения.
Технологичность композитной конструкции iEM позволяет достичь высокой степени автоматизации серийного производства, что в комбинации с малой материалоёмкостью гарантирует высокий конкурентный потенциал относительно аналогов и обеспечивает неуклонное снижение стоимости по мере увеличения объёмов серийного выпуска.